ЭКОНОМЬТЕ ВАШЕ ВРЕМЯ И ДЕНЬГИ, ИСПОЛЬЗУЯ НАШ ОПЫТ И ЗНАНИЯ!

УСЛУГИ ДЛЯ РАЗВИТИЯ БИЗНЕСА

Наша миссия - всестороннее содействие развитию бизнеса наших клиентов, исследование сути проблемы, поиск оптимального решения.

Бизнес - консалтинг
Технологический консалтинг

Алюминий, фольга, упаковка

К.т.н. Остапчук С.В.

Алюминий по содержанию в земной коре различных элементов занимает третье после кислорода и кремния, место, а среди металлов он является неоспоримым лидером, достигая, несмотря на малый удельный вес, 8,8% от массы всех, содержащихся в недрах металлов. Для сравнения в земле содержится 4,2% железа, 0,003% меди, а золота - 0,000005%.

Однако, из-за высокой химической активности, алюминий в природе в свободном состоянии не встречается и присутствует только в виде разнообразных по составу соединений, например, бокситов, глинозема, корунда и т.п. Поэтому вплоть до 1835 года, когда датскому физику Гансу Эрстеду удалось открыть серию последовательных реакций по восстановлению алюминия из глинозема, этот уникальный по свойствам металл не только не использовался, но и не был известен. Промышленное производство алюминия было освоено лишь в конце Х1Х века.

Этот легкий, блестящий, коррозионностойкий, пластичный, легко поддающийся обработке различными способами, металл получил в ХХ веке очень широкое применение в различных отраслях техники, в том числе в производстве упаковочных материалов.

По данным американской алюминиевой ассоциации из более, чем 10000 тыс. тонн мирового производства алюминия, четвертая часть идет на производство упаковки (контейнеры, банки, крышки, колпачки, фольга бытового назначения, ламинаты на основе фольги). А в некоторых странах со слабо развитыми машиностроительными отраслями хозяйства и индустрией стройматериалов, доля производимых из алюминия упаковочных средств достигает 75%.

Для придания алюминиевым сплавам специфических или специальных свойств в алюминий в процессе его производства вводят микродобавки различных металлов. В результате становится возможным, например, с помощью одних добавок повысить коррозионную стойкость сплава, а благодаря другим, улучшить перерабатываемость и повысить пластичность, смачиваемость, устойчивость к высоким температурам (Таблица 1).

Таблица 1. Влияние добавок на изменение характеристик сплавов алюминия

№ п/п Присадки в алюминиевом сплаве Улучшаемые характеристики
1 Марганец и магний (Mn + Mg) Прочность и формуемость
2 Магний и кремний (Mg + Si) Коррозионная стойкость
3 Медь и цинк (Cu + Zn) Прочность
4 Хром и марганец (Cr и Mn) Однородность структуры
5 Хром и титан (Cr + Ti) Однородность структуры
6 Железо и кремний (Fe + Si) Качество поверхности изделий
7 Магний, кремний и медь (Mg + Si + Cu) Предел текучести
8 Магний, литий и медь (Mg + Li + Cu) Предел текучести
9 Магний, цинк и медь (Mg + Zn + Cu) Предел текучести

Европейским стандартом EN 573-1 предусмотрена четырехзначная цифровая система обозначения, как алюминия, так и его сплавов: от 1000-ой до 8000-ой серий. К 1000-oй серии относится коммерчески чистый алюминий (содержание Al ≥ 99%), чистота которого указана в двух последних цифрах в сотых долях процента, следующих за величиной 99%. Например чистота алюминия 1198-ой серии составляет 99,98%. Вторая цифра в серии (от 1 до 9) отображает градации пределов примесей в алюминии. Если второй цифрой является ноль, то это означает, что алюминий имеет природный уровень примесей.

Для обозначения сплавов алюминия, содержащих различные добавки (Таблица 2) используются цифровые серии от 2000-ой до 8000-ой. Последние две цифры в этих группах обозначают идентификационный номер сплава, а вторая - его модификацию. Аналогичная нумерация предусмотрена и стандартом США (ASTM В 221).

Таблица 2. Добавки в алюминиевых сплавах различных серий

Цифровая серия сплава Содержащиеся в сплаве добавки
2000 Медь
3000 Марганец
4000 Кремний
5000 Магний
6000 Магний + кремний
7000 Цинк + магний + медь
8000 Прочие (железо, кремний, медь, марганец, литий)

При производстве упаковочных материалов значительная часть алюминия используется в виде тонколистового проката - фольги. Следует отметить, что международный стандарт ISO относит к фольгам прокат толщиной до 200 мкм.

Для упаковки пищевой продукции наиболее употребляемой является фольга, изготовленная из алюминия или алюминиевого сплавов 1000-ой, 3000-ой и 8000-ой серий, содержащая железа - от 0,5 до 1,5%, кремния - от 0,1 до 0,7%, марганца - от 0,02 до 1,5% и при необходимости повышения прочности - до 0,25% меди.

В начале ХХ века, до появления производств алюминиевой фольги широкое применение находила оловянная фольга и покрытая оловом жесть, использование которой при любой толщине было ограничено высокой жесткостью и пониженной пластичностью. Эти ограничения не позволяли пользоваться ею, как оберточным материалом для упаковки различных продуктов и уж, тем более, как структурной составляющей в многослойных ламинатах.

Впервые заменить луженую жесть алюминиевой фольгой стало возможным в 1910 году, после реализации технологического процесса непрерывного проката алюминия, освоенного по разработкам д-ра Лаубера в г. Креузлингене (Швейцария). Именно с этого завода началась история алюминиевой фольги, как высокобарьерного материала для упаковки продуктов питания.

Спустя три года в США тоже было запущено производство алюминиевой фольги для упаковки жевательной резинки, леденцов и конфет. Однако это был уже следующий шаг в развитии технологии получения фольгированных материалов, так как производство дополнительно включало отделочные процессы окрашивания, печати, лакирования, ламинирования и тиснения фольги.

В промышленности алюминиевая фольга производится путем последовательной и многократной (до 10-12) ее прокатки между стальными полированными валами с постепенно уменьшающимися зазорами между ними.

Для достижения толщины фольги менее 50-60 мкм процесс осуществляют путем совместного проката сразу двух фольг с нанесением между полотнами смазывающе-охлаждающей жидкости, которая затем удаляется в процессе последующего отжига при температуре более 300°С.

Совместная прокатка отражается на внешнем виде поверхностей готовой фольги. Сторона, обращенная к поверхности полированного вала, всегда блестящая, а сторона, соприкасающаяся с другой фольгой - матовая.

Использование алюминиевой фольги при производстве упаковочных материалов в первую очередь обусловлено ее непревзойденными барьерными свойствами, благодаря которым упаковываемый продукт полностью защищен от агрессивных воздействий ультрафиолета, влаги, кислорода. Именно этим объясняется то, что срок хранения многих продуктов, упакованных в фольгированных пленочных материалах, может составлять более года. Например, сухое молоко в герметичных пакетах из ламинированной фольги может храниться 2 года.

Из-за чрезвычайно низкой прочности и отсутствия способности образовывать термосвариваемые швы, необходимые для герметизации упаковок, применение алюминиевой фольги в чистом виде крайне ограничено. Как правило, она входит в состав различных многослойных ламинатов, содержащих с одной (внешней) стороны полиэтилентерефталатные, полиамидные пленки или пленки из ориентированного полипропилена, а с другой (внутренней) - термосвариваемые покрытия (лаки, клея-расплавы, полиэтилен, полипропилен и их сополимеры). Внешние слои, как правило, несут многоцветный печатный слой, а внутренние позволяют автоматизировать процесс упаковки с помощью тепловой сварки.

На функциональную устойчивость упаковочных ламинатов с фольгой может отрицательно сказываться агрессивное воздействие упаковываемого продукта. Например, уксусная или жирные кислоты, содержащиеся в отдельных пищевых продуктах, при их тепловой обработке (пастеризация, кипячение продукта в упаковке, высокотемпературная стерилизация) могут после диффузии через внутренний термосвариваемый слой реагировать с оксидной пленкой на поверхности фольги, приводя к ее постепенному разрушению и, следовательно, к падению барьерных свойств ламината.

При всей своей высокой химической инертности оксидная пленка (Al2O3) на алюминиевой поверхности может вступать в реакцию, как с кислыми, так и со щелочными средами. Совершенно не влияют на свойства фольги в структуре упаковочного материала лишь среды, у которых показатель кислотности лежит в диапазоне РН от 4 до 9. (По материалам сайта www.upackgroup.ru).

Помимо барьерных свойств, привлекательность использования алюминиевой фольги, как упаковочного материала, обусловлена значительными сбережениями ресурсов за счет экономии топлива при транспортировке продуктов.

Так замена компанией "Kraft Food" стеклянных бутылок при розливе широко известного напитка "Capri-Sun" на "устойчивый" пакет (doy-pack) из фольгированной пленки позволяет транспортировать почти вдвое больше упаковок в том же объеме, так как вес пакетов составляет всего 6,1% от веса самого груза (Рис.1).


Рисунок 1. Упаковка напитка "Capri-Sonne (Capri-Sun)" в пакеты "doy-pack".

Производство алюминиевой фольги, как и любое другое, находится в постоянном развитии. Год от года совершенствуется оборудование, оптимизируются технологические режимы, расширяется химический состав, используемых сплавов. Все это направлено не только на улучшение эксплуатационных свойств фольги, но и на уменьшение ее толщины, как основного параметра, определяющего снижение материалоемкости и, следовательно, повышения экономической эффективности применения фольги при изготовлении упаковочных материалов.

Стремление упаковщиков использовать все более тонкую фольгу вполне оправдано, так как при полном сохранении барьерных свойств замена, например, 9 - микронной фольги на 7 - микронную сразу же обеспечивает более, чем 20 % экономию металла.

На Рис.2 приведена многолетняя динамика совершенствования технологических процессов проката фольги, ориентировочно оцениваемая по уровню достигаемых минимальных значений ее толщин.

Возможность производства все более тонких фольг имеет, тем не менее, отрицательную сторону, обусловленную увеличением пористости или числа микроотверстий при уменьшении толщин проката. Это неизбежная закономерность, так как в атмосфере производственных помещениях невозможно создать условия абсолютного отсутствия каких-либо инородных микроскопических частиц, нарушающих при прокате целостность тонкой фольги.


Рисунок 2. Достигнутые по годам минимальные значения толщин алюминиевой фольги.

Целесообразность перехода на более тонкие номиналы толщин была оправдана и подтверждена рядом независимо проведенных исследований. Так исследованиями О.Пирингера и Р.Брандша в 2004г. в компании "Fabes Forschungs GmbH" (Германия), занимающейся изучением миграции различных сред через упаковочные пленки, было показано, что А1-фольга при толщине ≥ 6 мкм является практически абсолютным барьером для большинства газов, жидкостей и ультрафиолета.

Точно такие же сведения опубликованы в журнале "SCIENCE", в котором приведена информация о проведенных исследованиях в лабораториях "Ris National" (Дания) и "Synchrotron Radiation" (Франция). Эксперименты на отожженной при 260-290° С алюминиевой фольге с использованием "3D" рентген-микроскопов подтвердили непроницаемость фольги толщиной более 6 мкм для любых внешних воздействий.

Таблица 3. Ориентировочные значения пористости алюминиевой фольги

Количество микроотверстий на 1 м2 алюминиевой фольги при толщинах (мкм)
6,0 6,3 6,35 6,65 7,0 8,0 9,0 10,0 12-13 14-15 16-19 >20
4000-5000 2000-3000 1500-2000 1000-1200 400-700 300-600 150-250 100-150 50-70 10-40 5-10 0

Дальнейшие поиски способов производства еще более тонких фольг, скорее всего, прекратятся, по крайней мере, для нужд производителей упаковочных материалов, из-за того, что увеличение пористости сделает фольгу не конкурентоспособной по отношению к современным барьерным материалам.

В заключение следует отметить, что по данным FAFA (Европейская ассоциация производителей алюминиевой фольги) за 30 лет к 2005 году годовое потребление А1фольги в Европе выросло с 250 до 800 тыс. тонн, то есть его рост составил примерно 3-4% . Что касается российского рынка фольги, то проектная мощность российских заводов позволяет производить около 107 тыс. т/год фольги при том, что по оценкам иностранных специалистов, емкость отечественного рынка составляет около 200 тыс. т/год.

Использованные источники:

1. www.upackgroup.ru
2. www.aalco.co.uk
3. ПРОИЗВОДСТВО ФОЛЬГИ. ЧЕРНЯК С. И., КАРАСЕВИЧ В. И., КОВАЛЕНКО П. А. Изд-во "Металлургия", 1968, 2-е изд., 386 с.